Sport, oxidativer Stress, körpereigenes antioxidatives System und Antioxidantien - macht eine Supplementation Sinn?

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1 Medizin Jens Brandl Sport, oxidativer Stress, körpereigenes antioxidatives System und Antioxidantien - macht eine Supplementation Sinn? Examensarbeit

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3 Technische Universität München Wissenschaftszentrum Weihenstephan Department für Lebensmittel und Ernährung Fachgebiet Public Health Nutrition Schriftliche Hausarbeit zum Ersten Staatsexamen für das Lehramt an beruflichen Schulen Fach: Ernährungslehre Sport, oxidativer Stress, körpereigenes antioxidatives System und Antioxidantien macht eine Supplementation Sinn? Verfasser: Jens Brandl Eingereicht am:

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5 1 Einleitung Material und Methoden Stand der Wissenschaft Freie Radikale Mechanismen zur Bildung sportinduzierter freier Radikale Grundlagen und Mechanismen der Radikalbildung in Mitochondrien Grundlagen Mechanismen der Radikalbildung im Arachindonsäuremetabolismus Grundlagen und Mechanismen der Radikalbildung durch Katecholamine Mechanismen der Radikalbildung durch Oxidasen Messmethoden für oxidativen Stress Das nichtenzymatische antioxidative System Glutathion Tocopherole und Tocotrienole L-Ascorbinsäure Carotinoide Phenolische Verbindungen Ubichinon / Coenzym Q Harnsäure Liponsäure Das enzymatische antioxidative System Superoxid-Dismutase Glutathion-Peroxidase Glutathion-Reduktase Katalase Effekte von Sport auf das Immunsystem Effekte von Vitamin E-, Vitamin C- und -Carotin-Supplementation auf das Immunsystem Einflüsse supplementierter Antioxidantien beim Sport Übersicht über die verwendenten Studien Beschreibung und Resultate der verwendeten Studien Wirkungen supplementierter Antioxidantien auf das antioxidative System und den sportinduzierten oxidativen Stress Der Einfluss des Geschlechts auf durch Sport induzierten oxidativen Stress Die Wirksamkeit in Säften enthaltener natürlicher Antioxidanten beim Sport Sportinduzierte Radikalproduktion, deren Auswirkungen auf die Zelladaption und die Folgen einer antioxidativen Nahrungsergänzung Jens Brandl - I -

6 4.2.5 Verhinderung der Symptome von sportinduzierten Muskelschäden durch natürliche Antioxidantien Diskussion der Studien Wirkung supplementierter Antioxidantien auf das antioxidative System und den sportinduzierten oxidativen Stress Sportinduzierte Radikalproduktion, deren Auswirkungen auf die Zelladaption und die Folgen einer antioxidativen Nahrungsergänzung Verhinderung der Symptome von sportinduzierten Muskelschäden durch natürliche Antioxidantien Eigene Diskussion der Studien Ist eine antioxidative Nahrungsergänzung für Sportler sinnvoll? Oxidativer Stress, eine Folge sportlicher Belastung Sind Antioxidantien wirksam gegen sportinduzierten oxidativen Stress? Keine unterschiedliche Reaktion der verschiedenen Geschlechter auf Sport Leistungssteigerung durch Antioxidantien Sportinduzierte Zelladaption und die Auswirkungen von Antioxidantien Zusammenfassung Verzeichnisse... A 8.1 Abkürzungsverzeichnis...A 8.2 Darstellungsverzeichnis... D 8.3 Literaturverzeichnis...F Jens Brandl - II -

7 1 Einleitung Sport gehört zu den beliebtesten Freizeitaktivitäten in Deutschland. 27,5 Millionen Menschen sind Mitglieder in Sportvereinen ( Die Ziele für eine sportliche Betätigung sind vielfältig und reichen vom Spaß an der Bewegung und einem gesundheitsorientierten Training bis zum leistungsorientierten Training und Wettkampfsport. Sport löst erwiesenermaßen zahlreiche Anpassungserscheinungen im Organismus aus. Die maximale Sauerstoffaufnahme steigt durch Adaptionen des Kardiopulmonalen Systems, die Knochen, Knorpel, Sehnen und Bänder werden widerstandsfähiger. Die nervale Ansteuerung der Muskulatur verbessert sich, die Muskulatur verstärkt ihre Kapillarisierung, steigert ihre Mitochondrienzahl und macht ein Dickenwachstum durch, um den jeweiligen sportlichen Anforderungen gerecht zu werden (Thews et al.1999 S. 476, 477; Froböse et al. 2003, S. 34, 35). Außerdem wirkt moderat getriebener Sport präventiv gegen Wohlstandskrankheiten wie Diabetes Typ II, Arteriosklerose (Vonbank et al. 2005) und Krebs (Inoue et al. 2008). Sportliche Belastung führt jedoch auch zu einer verstärkten Radikalbildung, abhängig von der Sportart, der Intensität, der Dauer, dem Typ des Sports (exzentrisch, konzentrisch oder isometrisch) und dem daraus entstehenden Energiebedarf, Sauerstoffbedarf sowie der Gewebsschädigung (Fisher-Wellman, Bloomer 2009). Freie Radikale sind Spezies, die ein oder mehrere ungepaarte Elektronen besitzen (Aruoma 1994). Diese sind äußerst reaktionsfähig. Ein gestörtes Gleichgewicht zwischen Radikalbildung und Radikalentgiftung durch die antioxidativen Schutzsysteme resultiert in oxidativem Stress. In Folge davon sind freie Radikale an der Entstehung von Krankheiten wie Krebs, Katarakt und Arteriosklerose beteiligt (Aruoma 1994). Sie lösen solche Erkrankungen durch ihre Fähigkeit aus, verschiedene biologische Moleküle wie Lipide, Proteine und Nukleinsäuren zu oxidieren (Fisher-Wellman, Bloomer 2009). Auch sind sie an Alterungsprozessen beteiligt (Kowald 2001). Zahlreiche Sportler, besonders intensiv Trainierende, nehmen deshalb antioxidativ wirkende Präparate ein. Sie möchten damit ihr antioxidatives Schutzsystem unterstützen, um ihre Gesundheit zu erhalten, ihr Immunsystem zu verbessern und ihre Leistung zu steigern (Nieper 2005). Die Nahrungsergänzungsmittel herstellende Industrie hat dafür zahlreiche Produkte entwickelt, die oxidativen Stress verhindern sollen und bewirbt diese mit Aussagen wie: Jens Brandl - 1 -

8 Enthält eine hohe Vitamin- und Mineralstoffdichte, um Verluste auszugleichen und das Immunsystem zu stabilisieren (Powerbar Recovery Drink). Die Kombination ist als Radikalenkiller bekannt geworden (Supra Vitamin A-C-E Plus Selen, Metabolic Nutrition). Zur Unterstützung der Leistungsfähigkeit, Widerstandskraft und Regeneration (Orthomol Sport). Das Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, Studien zu der Wirkung einer antioxidativen Supplementation auf den Körper in Verbindung mit sportlicher Belastung zu sichten, um zu einer Beurteilung der Wirkung nach derzeitigem Stand des gesicherten Wissens zu kommen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Entstehung von oxidativem Stress und ob dieser durch Antioxidantien unterdrückt werden kann. Außerdem sind geschlechtsspezifische Unterschiede bezüglich des antioxidativen Systems und einer Antioxidantienzufuhr von Interesse. Eine mögliche Leistungssteigerung sowie Auswirkungen der Antioxidantienzufuhr auf sportinduzierte Signalkaskaden und Anpassungserscheinungen sollen ebenfalls herausgestellt werden. Jens Brandl - 2 -

9 2 Material und Methoden Als Grundlage für die vorliegende Arbeit diente eine umfangreiche Literaturrecherche. Die verwendete Literatur entstammt der Universitätsbibliothek der Technischen Universität München. Sie wurde aus den Zweigbibliotheken Sportwissenschaft, Medizin und Weihenstephan nach vorheriger Durchsicht im Lesesaal entnommen. Auch der Online Katalog der Universitätsbibliothek wurde für die Literaturrecherche über Stichworte genutzt. Ergänzend kamen verschiedene Aufsätze, Studien oder Reviews aus anerkannten wissenschaftlichen Zeitschriften der Bereiche Chemie, Biologie, Sport, Ernährung und Medizin zum Einsatz. Einige Informationen stammen aus Online-Fachlexikas. Als Online-Suchportale dienten PubMed.gov und die Internet-Suchmaschine Google. Um die Suche einzugrenzen wurden verschiedene Schlagworte miteinander verknüpft. Aufgrund der angezeigten Abstracts konnte die veröffentlichende Fachzeitschrift ermittelt werden. Der Haupttext stand bei einigen Zeitschriften auf der Homepage zum Download bereit, in den meisten Fällen erfolgte der Zugang jedoch über die Elektronische Zeitschriften Bibliothek der TU München bzw. der LMU München. Weitere Literaturhinweise ergaben sich aus den Literaturverzeichnissen bereits verwendeter Studien. Abbildungen wurden aus der angegebenen Literatur kopiert, gescannt oder verschiedenen Lehrseiten von Universitäten und Online-Lernportalen entnommen. Tabellen konnten direkt im Textverarbeitungprogramm Word erstellt werden. Jens Brandl - 3 -

10 3 Stand der Wissenschaft In diesem Kapitel werden die Ursachen für oxidativen Stress im menschlichen Körper aufgezeigt. Besondere Beachtung findet dabei die Entstehung freier Radikale durch sportliche Betätigung. Verschiedene Methoden zur Erfassung des oxidativen Stresses werden angesprochen. Anschließend folgt eine Vorstellung verschiedener exogener und endogener Antioxidantien. Die Eigenschaften und Funktionsweisen der antioxidativ wirkenden Stoffe werden erläutert, auf Synergismen wird eingegangen. 3.1 Freie Radikale Freie Radikale sind definiert als Spezies, die eigenständig existieren können und ein oder mehrere ungepaarte Elektronen besitzen (Aruoma, 1994). Es existiert eine Vielzahl verschiedener Radikale. In der Physiologie spielen von Stickstoff und / oder Sauerstoff abgeleitete Radikale die wichtigste Rolle (Bogdan et al. 2000). Reaktive Sauerstoff-Spezies (ROS) bzw. Reaktive Stickstoff-Spezies (RNS) können Kohlenhydrate, Fette, Proteine und Nucleinsäuren verändern und sie dadurch zerstören, in neue radikalische Verbindungen umwandeln oder beschädigen. Daraus resultieren folgende pathogene Mechanismen: Werden Proteine angegriffen, erhöht sich die Gefahr der Tumorbildung. Es kann zu verminderter Enzymaktivität und zur Zellschädigung kommen. Ein radikalischer Angriff auf Lipide kann Membranschäden, Low Density Lipoprotein- (LDL)-Oxidation und Arteriosklerose bedingen. Werden Kohlenhydrate von Radikalen geschädigt kann es zur Veränderung von Rezeptoren und verringerter Viskosität der Gelenkflüssigkeit kommen. Einige der bedeutendsten Radikale im menschlichen Organismus sind das Superoxidanionradikal (O.- 2 ), das Hydroxylradikal (OH. ), das Stickoxidradikal (NO. ) und Lipidperoxylradikale (LOO. ). Zu hochreaktiven Radikalvorstufen gehören Hydrogenperoxid (H 2 O 2 ), Singulett Sauerstoff ( 1 O 2 ), hypochlorige Säure (HOCl) und Ozon (O 3 ) (Elmadfa, Leitzmann 2004, S.301). Jens Brandl - 4 -

11 Freie Radikale gelangen aus exogenen Quellen in den Körper oder entstehen bei metabolischen Prozessen: Tabelle 1: Quellen von Radikalen Endogene Quellen Mitochondrien durch oxidative Energiegewinnung Phagozyten Xanthin- / NADPH-Oxidase, Cytochrom- P450-Reduktase Reaktionen mit Eisen oder anderen Übergangselementen Arachidonsäure-Stoffwechsel Peroxisomen Autoxidation von Katecholaminen Entzündungen Ischämie / Perfusion Exogene Quellen Zigarettenrauch Umweltschadstoffe Strahlung Ultraviolettes Licht Medikamente Pestizide Anästhetika Lösungsmittel Ozon Die primären Radikalquellen in Reaktion auf sportliche Belastung sind die mitochondriale Atmungskette, der Arachidonsäure-Stoffwechsel (Prostanoid-Stoffwechsel), die Autoxidation von Katecholaminen und die Oxidase-Enzymaktivität, (NAD(P)H-Oxidase, Xanthin-Oxidase). Sowohl der initiale Anstieg von ROS und RNS, als auch die Beendigung der sportlichen Aktivität kann zu einer sekundären Erzeugung von Prooxidantien durch einen phagozytischen respiratory burst, einem Ungleichgewicht im Calcium-Haushalt und / oder zu einer Zerstörung eisenhaltiger Proteine führen (Fisher-Wellman, Bloomer 2009). 3.2 Mechanismen zur Bildung sportinduzierter freier Radikale Grundlagen und Mechanismen der Radikalbildung in Mitochondrien Zur Energiegewinnung zieht der Körper vor allem Kohlenhydrate in Form von Glucose heran. Auch in Glycerin und freie Fettsäuren aufgespaltene Fette, wobei das Glycerin in Glycerinal- Jens Brandl - 5 -

12 dehyd-3-phosphat umgewandelt wird und die Fettsäuren durch die -Oxidation in den Mitochondrien zu Acetyl-CoA abgebaut werden, verwendet der Körper als Energiequelle. Proteine können ebenfalls der Energiegewinnung dienen, müssen zuvor jedoch zu Aminosäuren hydrolysiert und desaminiert werden. Danach können sie abhängig vom jeweiligen Kohlenstoffgerüst der Aminosäure zu Pyruvat, Acetyl-CoA, -Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat und Oxalacetat transferiert werden ( Löffler, Schömerich 2008, S ). Die Zellatmung unterteilt sich in drei schematisch getrennte Stoffwechselwege: 1. Die Glykolyse, 2. den Citratzyclus und 3. die Atmungskette. Die Glykolyse findet im Cytosol einer Zelle statt. Im ersten Schritt phosphoryliert das Enzym Hexokinase ein Glucosemolekül. Es entsteht Glucose-6-phosphat. Dabei wird ein Molekül Adenosintriphosphat (ATP) zu Adenosindiphosphat (ADP) abgebaut. Der zweite Schritt dient der Umordnung von Glucose-6-phosphat in Fructose-6-phosphat durch Phosphoglucoisomerase. Im dritten Schritt erfolgt unter nochmals einem Molekül ATP-Verbrauch die Übertragung einer weiteren Phosphatgruppe auf den Zucker. Es bildet sich Fructose-1,6-bisphosphat. Beteiligtes Enzym ist die Phosphofructokinase. Dem vierten Schritt verdankt die Glycolyse ihren Namen. Das Enzym Aldolase spaltet den Zucker in Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat. Da ausschließlich Glycerinaldehyd-3-phosphat im weiteren Verlauf der Glykolyse genutzt werden kann, katalysiert eine Isomerase in einem fünften Schritt den reversiblen Übergang zwischen beiden Zuckern. Das Reaktionsgleichgewicht verschiebt sich deshalb hin zum Glycerinaldehyd-3-phosphat. An dieser Stelle kann auch aus dem Glycerin von Fetten erzeugtes Glycerinaldehyd-3-phosphat eingebracht werden. Mit dem sechsten Schritt beginnt die Energiegewinnungsphase. Mit Hilfe der Triosephosphatdehydrogenase können zwei aufeinander folgende Reaktionen durchgeführt werden. Zuerst wird der Zucker durch Überführung von Elektronen und H + auf Nicotinamid-Adenin- Dinucleotid (NAD + ) oxidiert, es entsteht NADH. Diese Reaktion ist stark exergonisch und das Enzym nutzt die freigesetzte Energie, um eine Phosphatgruppe aus dem Cytosol an den Jens Brandl - 6 -

13 Zucker zu binden. Aufgrund der Spaltung des Fructose-1,6-bisphosphats in Schritt vier ist es nötig alle Moleküle mit zwei zu multiplizieren. Der siebte Schritt der Glykolyse sorgt für die Übertragung der im sechsten Schritt angefügten Phosphatgruppe auf ADP, ATP wird freigesetzt. Die Phosphoglycerokinase katalysiert die Reaktion. Als Reaktionsprodukt entsteht 3-Phosphoglycerat. Der achte Schritt sorgt mit Hilfe der Phosphoglyceromutase für eine Verschiebung der Phosphatgruppe innerhalb des Moleküls, 2-Phosphoglycerat entsteht. Im neunten Schritt kann durch Enolase Wasser abgespalten werden, dadurch bildet sich eine Doppelbindung aus, die Phosphatbindung des gebildeten Phosphoenolpyruvats (PEP) ist nun instabil. Im zehnten Schritt bildet sich wiederum ATP durch Übertragung der Phosphatgruppe des PEP auf ADP. In die Reaktion fließen zudem zwei Protonen ein, dadurch entsteht Pyruvat. Auch das Pyruvat der zur Energiegewinnung herangezogenen Proteine kann nun eingebracht werden. Die Glykolyse kann auch unter anaeroben Bedingungen ablaufen. Dabei erfolgt die Reoxidation des NADH zum von der Triosephosphatdehydrogenase in Schritt sechs benötigten NAD + in einer durch Lactatdehydrogenase katalysierten Reaktion, die Pyruvat zu Lactat reduziert. Errechnet man die Energiebilanz der Glykolyse, so beträgt der ATP-Gewinn aus einem Molekül Glucose zwei Moleküle ATP und unter aeroben Bedingungen zwei Moleküle reduziertes Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat (NADP)H, welches in der Atmungskette zur ATP-Bildung herangezogen werden kann. Der Cytratzyklus findet im Mitochondrium statt. Zunächst muss das Pyruvat aus der Glykolyse durch ein Transportprotein in das Mitochondrium eingeschleust werden. Dort spaltet ein Multienzymkomplex die Carboxylgruppe des Pyruvats ab und setzt Kohlenstoffdioxid frei. Der verbleibende Rest wird zur Acetylgruppe oxidiert. Ein Enzym überträgt dabei gewonnene Elektronen auf NAD +, wodurch gebildetes NADH Energie speichert. Anschließend bindet das Coenzym A die Acetylgruppe und bildet das chemisch instabile Acetyl-CoA. Es kann im ersten Schritt des Citratzyklus ebenso wie das aus Fettsäuren und Aminosäuren entstandene Acetyl-CoA seine Acetylgruppe unter Addition eines Wassermoleküls auf Oxalacetat übertragen und in den Citratzyklus einschleusen, dabei bildet sich Citrat. Im zweiten Schritt wandelt sich Citrat durch Entfernen eines Wassermoleküls und Addieren eines anderen zu Isocitrat um. Jens Brandl - 7 -

14 Bei einem dritten Schritt wird Isocitrat zu Oxalsuccinat oxidiert und reduziert dabei NAD + zu NADH. Das Oxalsuccinat ist instabil und decarboxyliert unter Kohlenstoffdioxidabgabe zu - Ketoglutarat. Im vierten Schritt erfolgt die Abspaltung eines weiteren Kohlenstoffdioxid-Moleküls. Die entstandene Verbindung wird wiederum oxidiert und reduziert NAD + zu NADH. Coenzym A bindet an das verbleibende Molekül und erzeugt Succinyl-CoA. Im fünften Schritt ersetzt eine Phosphatgruppe das CoA. Sie wird auf Guanosindiphosphat (GDP) übertragen, wodurch Guanosintriphosphat (GTP) entsteht. Das GTP überträgt nun Phosphat auf ADP, es entsteht ATP. In Schritt sechs gibt Succinat zwei Wasserstoffatome an Flavin-Adenin-Dinucleotid (FAD) ab. Es bildet sich Fumarat und FADH 2. Im siebten Schritt des Citratzyklus erfolgt eine Umordnung der Bindungen im Substrat durch Hinzufügen eines Wassermoleküls zum Malat. Das Malat wird im achten Schritt oxidiert und reduziert dabei NAD + zu NADH. Es bildet sich Oxalacetat. Die aus Aminosäuren gebildeten Substrate -Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat und Oxalacetat können in die entsprechenen Schritte des Citratzyklus einfließen. Fast alle Enzyme des Citratzyklus entstammen der Mitochondrienmatrix, eine Ausnahme bildet lediglich das im fünften Schritt katalysierende. Es ist in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert. Die von den Oxidationsschritten freigesetzte Energie wird großteils im NADH gebunden. Aus jedem Acetat, das in den Citratzyklus gelangt, werden drei NAD + -Moleküle zu NADH reduziert. Außerdem werden in Schritt sechs Elektronen auf FAD übertragen und reduzieren es zu FADH 2. In Schritt fünf ensteht durch Phosphatkettenphosporylierung ein ATP-Molekül. Die in Form von NADH und FADH 2 gespeicherte Energie kann durch Elektronenübertragung an die Atmungskette weitergeleitet werden. Jens Brandl - 8 -

15 Abbildung 1: Citratzyklus Die Atmungskette besteht aus vier Enzymkomplexen. Sie sind alle in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert. Durch Faltung zu so genannten Cristae bietet sie mehreren tausend Kopien der Atmungskette Platz. Die Atmungskettenproteine besitzen prosthetische Gruppen. Sie wechseln während des Elektronentransports zwischen reduziertem und oxidiertem Zustand und nehmen dadurch Elektronen auf bzw. geben sie wieder ab. Im Enzymkomplex I (NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase) ist das erste Molekül der Atmungskette ein Flavoprotein mit Flavin-Mononucleotid als prosthetischer Gruppe. Es nimmt Elektronen des in der Glykolyse bzw. im Citratzyklus gebildetem NADH auf und wird somit reduziert. Das Flavoprotein gibt die Elektronen an einen Eisen-Schwefel-Protein-Komplex (FeS) ab und reduziert es dadurch. Im nächsten Schritt überträgt der Eisen-Schwefel-Protein-Komplex die Elektronen auf das mobile nichtenzymatische Ubichinon. Die Reaktionsgleichung des Enzymkomplex I lautet: Jens Brandl - 9 -

16 NADH + H + + Ubichinon NAD + + Ubichinol Das Ubichinon repräsentiert das Herzstück des Komplex II (Succinat:Ubichinon-Oxidoreduktase). Durch die Succinat-Dehydrogenase mit FAD als Coenzym und Eisen-Schwefel- Zentren bildet der Komplex II die Schnittstelle zur Elektronenaufnahme aus Succinat und kann dadurch die Energie aus dem sechsten Schritt im oben beschriebenen Citratzyklus nutzen. Komplex II katalysiert die Reaktion: Succinat + Ubichinon Fumarat + Ubichinol Abgesehen vom Komplex I und II können Reduktionsäquivalente auch im Glycerophosphatzyklus oder durch das elektronentransferierende Flavoprotein auf Ubichinon übertragen werden. Im Glycerophosphatzyklus wird auf der Matrix-Seite Dihydroxyacetonphosphat mit NADH durch -Glycerophosphat reduziert. Glycerophosphat-Oxidase reoxidiert wiederum -Glycerophosphat FAD-abhängig, wobei Ubichinon zu Ubichinol reduziert wird. Das elektronentransferierende Flavoprotein (ETF) wird über das aus der Acyl-CoA-Dehydrogenase der -Oxidation stammende FADH 2 reduziert und danach selbst von der ETF:Ubichinon-Oxidoreduktase oxidiert, wobei unter Beteiligung eines Eisen-Schwefel- Zentrums Ubichinon zu Ubichinol reduziert wird. Als mobiler Elektronentransporter vermittelt Ubichinon die Elektronen an den Enzymkomplex III (Ubichinol:Cytochrom c-oxidoreduktase). Die Elektronenüberträger des Enzymkomplexes III sind überwiegend Cytochrome. Ihre prosthetische Gruppe ist das Häm und ähnelt dem Hämoglobin der Erythrozyten. Sie transportiert jedoch keinen Sauerstoff, sondern Elektronen. Das Cytochrom c stellt einen mobilen Elektronentransporter dar und überträgt die Elektronen auf den IV. Enzymkomplex, die Cytochrom c-oxidase. Es ergibt sich folgende Reaktion: Ubichinol + 2 Cytochrom c(ox) Ubichinon + 2 Cytochrom c(red) Jens Brandl